Công nghệ chế biến thực phẩm bằng sóng siêu âm
ứng dụng
Với sự gia tăng nhu cầu của người tiêu dùng và sự thắt chặt của các quy định về thực phẩm và môi trường, các công nghệ chế biến thực phẩm truyền thống đã mất đi hiệu suất tốt nhất, dẫn đến các công nghệ vượt trội mới ra đời. Sóng siêu âm là một công nghệ xanh không phá hủy nhanh, đa mục đích, mới nổi và có triển vọng được áp dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm trong những năm gần đây. Sóng siêu âm được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của công nghệ thực phẩm, chẳng hạn như kết tinh, đông lạnh, tẩy trắng, khử khí, chiết xuất, sấy khô, lọc, nhũ hóa, khử trùng, cắt, ... Là một công cụ bảo quản hiệu quả, sóng siêu âm đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực chế biến thực phẩm như như trái cây và rau quả, ngũ cốc, mật ong, gel, protein, enzym, sự khử hoạt tính của vi sinh vật, công nghệ ngũ cốc, xử lý nước và công nghệ sữa.
Giới thiệu
Trong những năm qua, nhu cầu tối thiểu của ngành công nghiệp thực phẩm đối với thực phẩm chế biến đã dẫn đến những thay đổi lớn trong phương pháp chế biến, bởi vì trong những điều kiện quan trọng, một số công nghệ chế biến làm giảm mức dinh dưỡng và sinh khả dụng bằng cách gây ra những thay đổi vật lý và hóa học, do đó làm giảm sự chấp nhận giới tính. Vì vậy, để duy trì các đặc tính dinh dưỡng, không dinh dưỡng (hoạt tính sinh học) và cảm quan, ngành công nghiệp thực phẩm đã thiết kế các phương pháp chế biến nhẹ nhàng mới hơn để thay thế các công nghệ này. Phương pháp siêu âm là một trong những công nghệ phát triển nhanh chóng nhằm giảm bớt quá trình chế biến, nâng cao chất lượng và đảm bảo an toàn thực phẩm. Công nghệ siêu âm, là một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển then chốt trong ngành công nghiệp thực phẩm, dựa trên các sóng cơ học có tần số cao hơn giới hạn thính giác của con người (GG gt; 16khz), có thể được chia thành hai dải tần số: năng lượng thấp và năng lượng cao. Siêu âm năng lượng thấp (công suất thấp, cường độ thấp) cao hơn 100 kHz ở tần số dưới 1 Wcm − 2 và siêu âm năng lượng cao (công suất cao, cường độ cao) ở tần số từ 20 đến 500 kHz Cao hơn 1 Wcm − 2.
Dải tần số đại diện thường được sử dụng trong công nghệ siêu âm là từ 20 kHz đến 60 kHz. Là một kỹ thuật phân tích, siêu âm tần số cao được sử dụng để thu thập thông tin về các đặc tính vật lý và hóa học của thực phẩm như độ chua, độ cứng, hàm lượng đường và độ chín. Siêu âm tần số thấp làm thay đổi các đặc tính vật lý và hóa học của thực phẩm bằng cách tạo ra áp suất, lực cắt và sự chênh lệch nhiệt độ trong môi trường mà nó lan truyền, và tạo ra không bào, do đó làm bất hoạt vi sinh vật trong thực phẩm. Xử lý siêu âm thích hợp cho việc kiểm tra chất lượng của rau và trái cây tươi trước và sau khi thu hoạch, chế biến pho mát, dầu ăn thương mại, bánh mì và các sản phẩm ngũ cốc, thực phẩm dạng lớn và chất béo nhũ tương, gel thực phẩm, thực phẩm có ga và thực phẩm đông lạnh. Các ứng dụng khác bao gồm phát hiện tình trạng tạp nhiễm và kết tụ của mật ong, đánh giá kích thước và loại protein. Dải tần số và phổ của siêu âm tần số thấp, cũng như cộng hưởng từ hạt nhân (NMR), hiện là những phương pháp phân tích không phá hủy phổ biến, thực tế và được sử dụng rộng rãi nhất. Trong những năm qua, siêu âm tần số thấp đã được sử dụng thành công để nghiên cứu các đặc tính hóa lý và cấu trúc của thực phẩm dạng lỏng.
Cơ chế
Ứng dụng của sóng siêu âm trong các hệ thống chất lỏng có thể gây ra hiện tượng nhiễu âm, tức là tạo ra, phát triển và cuối cùng là vỡ bong bóng. Khi sóng siêu âm lan truyền, các bong bóng dao động và vỡ ra, tạo ra các hiệu ứng nhiệt, cơ học và hóa học. Các tác động cơ học bao gồm áp suất sụp đổ, nhiễu loạn và ứng suất cắt, trong khi các tác động hóa học không liên quan gì đến việc tạo ra các gốc tự do. Vùng cavitation tạo ra nhiệt độ cực cao (5000 K) và áp suất (1000 atm). Tùy thuộc vào tần số của sóng siêu âm, áp suất âm và dương xen kẽ được tạo ra cục bộ có thể làm vật liệu giãn nở hoặc nén, dẫn đến vỡ tế bào. Sóng siêu âm có thể thủy phân nước trong các bong bóng dao động để tạo thành các gốc tự do H + và OH. Các gốc tự do này có thể bị bắt trong một số phản ứng hóa học nhất định. Ví dụ, các gốc tự do có thể tham gia vào quá trình ổn định cấu trúc, liên kết cơ chất hoặc chức năng xúc tác của các enzym. Axit amin bị xóa. Hiệu ứng phá vỡ siêu âm này bị triệt tiêu đáng kể bởi chất lỏng đồng nhất.
Các bong bóng được tạo ra trong quá trình xử lý siêu âm có thể được chia thành hai loại theo cấu trúc của chúng:
Sự hình thành của một đám mây bong bóng lớn phi tuyến tính với kích thước cân bằng trong chu kỳ áp suất được gọi là bong bóng cavitation ổn định.
Không ổn định, sụp đổ nhanh chóng và tan rã thành các bong bóng nhỏ hơn được gọi là bong bóng xâm thực bên trong (thoáng qua).
Những bong bóng nhỏ này tan nhanh chóng, nhưng trong quá trình căng bong bóng, lớp ranh giới chuyển khối mỏng hơn và diện tích mặt phân cách lớn hơn diện tích bề mặt khi bong bóng vỡ. Điều này có nghĩa là không khí đi vào bong bóng trong giai đoạn kéo căng lớn hơn không khí đi ra trong giai đoạn vỡ.
